| Summary: | Memoria para optar al Título Profesional de Químico y al Grado de Magíster en Química, área de especialización en coloides === El metabolismo celular es un proceso natural en los organismos vivos que conduce
inevitablemente a la producción de especies reactivas del oxígeno, conocidas como ROS, las
cuales, son agentes oxidantes altamente reactivos capaces de atacar células, causando en ellas la
pérdida de su estructura y funciones. El exceso de ROS en el organismo, un estado que se
conoce como “estrés oxidativo”, es mantenido bajo control por mecanismos celulares y especies
antioxidantes, evitando que se desencadenen enfermedades relacionadas con la oxidación
celular. Entre las ROS se encuentra el oxígeno molecular singulete, O2(a¹Δg), especie que es
capaz de reaccionar con gran variedad de moléculas biológicas, tales como el ADN, proteínas y
lípidos, desempeñando roles perjudiciales y/o beneficiosos en el organismo.
El O2(a¹Δg) es uno de los dos posibles estados excitados del oxígeno, pero es el único
que tiene un tiempo de vida los suficientemente largo para ser relevante en las reacciones
químicas en solución. Se puede generar por vía química, física o fotoquímica, siendo esta última
la más utilizada por ser la más simple y controlable. La cinética de sus reacciones con sustratos,
o desactivantes (Q), puede ser descrita en términos de la constante de velocidad de
desactivación total, que incluye las vías de reacción química y física. El método ideal para
evaluar, es la detección directa de la emisión fosforescente del O2(a¹Δg) en el infrarrojo
cercano, utilizando la fotosensibilización como método de generación de O2(a¹Δg). Sin embargo,
esta técnica tiene serias limitaciones debido a la sensibilidad de los detectores y la complejidad
del proceso de decaimiento del O2(a¹Δg) en sistemas de interés biológico, cuya
microheterogeneidad, hace que ocurran gradientes en la concentración local del O2(a¹Δg) afectando su reactividad, situación que puede ser parcialmente imitada en sistemas bien
definidos, tales como soluciones de micelas y liposomas.
El modelo más apto para entender las reacciones del O2(a¹Δg) en sistemas biológicos lo
constituyen las vesículas unilamelares, las cuales, se componen de una única bicapa bien
definida que permite distinguir en ellas dos pseudofases, una acuosa y otra lipídica. El
modelamiento cinético en estos sistemas es una tarea compleja, pero cercana a lo que sucede a
nivel celular.
Como alternativa a la detección directa del O2(a¹Δg)en sistemas biológicos, en nuestro
laboratorio se han sintetizado los derivados de furano; DFTA, HFDA y MFMA, que además de
reaccionar eficientemente con O2(a¹Δg)a través de la vía química, pueden anclarse en la
membrana desde la interfase, permitiendo estudiar la dinámica del oxígeno singulete y estimar
su concentración estacionaria a distintas profundidades en la bicapa. Esta información, sumada a
estudios teóricos relacionados con el transporte de moléculas pequeñas a través de la membrana
lipídica, permiten obtener una aproximación cuantitativa de la distribución del O2(a¹Δg) en ella.
En este trabajo se estudia, en soluciones de vesículas unilamelares de DODAC y de
DPPC, la interacción del O2(a¹Δg) con los sustratos licopeno, ácido rosmarínico y ácido
carnósico, en forma independiente. Los tres sustratos poseen un origen natural y conocida
capacidad antioxidante. En el experimento, el O2(a¹Δg)es generado por fotosensibilización,
mientras que las soluciones de vesículas, con los derivados de furano y los antioxidantes
incorporados en la bicapa, son generadas por el método de inyección… === Cellular metabolism is a natural process in living organisms that inevitably leads to the
production of reactive oxygen species, known as ROS, which are highly reactive oxidizing
agents capable of attacking cells, causing the loss of their structure and functions. The excess of
ROS in the body, a condition known as “oxidative stress” is kept under control by cellular
mechanisms and antioxidant species, avoiding the triggering of diseases related to cell oxidation.
Among the ROS, singlet molecular oxygen O2(a¹Δg) is a specie capable of reacting with a
variety of biological molecules, such as DNA, proteins and lipids, playing harmful and/or
beneficial roles in the body.
O2(a¹Δg) is one of the two possible excited states of the oxygen, but is the only one with
a lifetime long enough for relevant chemical reactions in solution. It can be generated in a
chemical, physical and photochemical way, the last being the most used method, being the
simplest and most controllable. The kinetics of its reactions with other substrates, or quenchers,
may be described in terms of the total deactivation rate constant including pathways for
chemical and physical reactions. The ideal method to evaluate is the detection of the
phosphorescence in the near-infrared, usually using photosensitization as a generating method
for O2(a¹Δg). However, this technique has serious limitations due to the sensitivity of detectors
and the complexity of the decay process in systems of biological interest, where the
microheterogeneity, characteristic of biological systems, makes gradients occur in the local
concentration and reactivity of O2(a¹Δg), a situation that can be partly replicated in well-defined
systems such as micelles and liposomes solutions.
The most suitable model to understand the reactions of O2(a¹Δg) in biological systems are unilamellar vesicles, which are composed of a single bilayer well defined to distinguish two pseudofases therein, aqueous and lipidic. The kinetic modeling of these systems is complex, but
close to what happens at the cellular level.
As an alternative to direct detection of O2(a¹Δg) in biological systems, several derivate
of furan (DFTA, HFDA and MFMA) have been synthesized in our laboratory, which in addition
to react efficiently with O2(a¹Δg) through chemicals pathways, they can be anchored to the
membrane from the interface, allowing to study the dynamics of singlet oxygen and estimate
their stationary concentration at different depths inside the bilayer. This information, together
with theoretical studies related to the transport of small molecules through the lipid membrane
allows obtaining a quantitative approach about the distribution of O2(a¹Δg) in the bilayer.
In this work, a study concerning the interaction of O2(a¹Δg) with the substrates lycopene,
rosmarinic acid and carnosic acid, in solutions of unilamellar vesicles of DODAC and DPPC, is
presented. The three substrates possess a natural origin and a known antioxidant capability. In
the experiment O2(a¹Δg) is generated by photosensitization, while solutions of vesicles, with the
furan derivatives and antioxidants incorporated in the bilayer, are generated by the injection
method.
HFDA is the furan derivative that places the reactive group deeper into the bilayer, and
thus, the one that probes more information regarding to the O2(a¹Δg) inside, is obtained for
the three antioxidants through a kinetic model of two pseudofases, previously developed in our
laboratory, where molecules of antioxidants and HFDA competing for reaction with O2(a¹Δg).
The values of ,are also obtained by time-resolved methods, in order to make a
comparison between them and obtained through the salts of furan by the method of the
competitive reactions.
The values of obtained for lycopene are close to those obtained by other authors in
similar conditions. On the other hand, for rosmarinic and carnosic acids do not exist previous
studies specifically related to O2(a¹Δg), however, the high value of the obtained for these
substrates indicates that they play a significant protective effect against damage caused by
O2(a¹Δg) in lipidic membranes, finding values in one order of magnitude higher than to those
determined in methanol. === Conicyt, Fondecyt
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